Begreppet kiralitet är väletablerat i vetenskapen:när ett objekt inte kan läggas på sin spegelbild, både objektet och dess spegelbild kallas kiralt. I läkemedelsindustrin, till exempel, mer än 50 % av de farmaceutiskt aktiva molekylerna som används idag är kirala molekyler. Medan en av 'enantiomererna' är livräddande, dess motsvarighet med motsatt handenhet kan vara giftig. Ett annat koncept som har funnit ett stort intresse för samtida materialvetenskap är topologi, eftersom många så kallade topologiska material har exotiska egenskaper. Till exempel, topologiska material kan ha skyddade kanttillstånd där elektroner flödar fritt utan motstånd, som om en supraledande bana av elektroner skapades vid kanten av ett material. Sådana okonventionella egenskaper är en manifestation av materiens kvantnatur. De topologiska materialen kan klassificeras med ett speciellt kvantnummer, kallade den topologiska laddningen eller Chern -numret.

Kirala topologiska material har särskilt unika egenskaper som kan vara användbara i framtida enheter för kvantdatorer som kan påskynda beräkningarna avsevärt. Ett exempel på en sådan egenskap är den länge eftertraktade stora kvantiserade fotogalvaniska strömmen. Här genereras en fast likström i ett kiralt topologiskt material som en gång utsatts för ett cirkulärt polariserat ljus, som är oberoende av styrkan hos infallande strålning och dess riktning kan manipuleras genom polariseringen av infallande ljus. Detta fenomen bygger på det faktum att materialet har en hög topologisk laddning på 4, vilket är det högsta möjliga värdet i något material.

Fasta tillståndskemister och fysiker från Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids (MPI CPfS), Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Helmholtz-Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie (HZB) och University of Science and Technology i Kina, Hefei lyckades förverkliga detta märkliga elektroniska tillstånd för första gången i den nya kirala topologiska föreningen PtGa. Deras resultat har publicerats i Naturkommunikation .

I studien, forskarna har använt exceptionellt stark spin-orbit-koppling i PtGa som nyckelparameter för att tydligt lösa och räkna antalet speciella topologiska yttillstånd, kallade Fermi -bågarna, som bestämmer den topologiska laddningen. "PtGa är den bästa föreningen som finns i naturen med kiral B20-struktur för att observera spin-delade Fermi-bågar och realisera det maximala Chern-talet 4 eftersom det har den starkaste spin-omloppskopplingen." säger Kaustuv Manna, en av författarna till studien som arbetar som vetenskapsman vid Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids Dresden.

Teoretiska beräkningar utförda av Yan Sun och hans kollegor antydde att föreningen PtGa är en mycket lovande kandidat för att observera den höga topologiska laddningen som experimentellt verifierades av Mengyu Yao och hans kollegor som utförde detaljerade vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopi (ARPES) studier. ARPES är ett kraftfullt verktyg för att undersöka beteendet hos elektroner i fasta ämnen.

"Arbetet av Yao et al. avslöjar att PtGa är en topologisk semimetall med en maximal kiral laddning och har den starkaste spin-orbitalkopplingen bland alla kirala kristaller som identifierats hittills. Denna observation är signifikant och har stora implikationer för dess transportegenskaper, till exempel magnetotransport. "förklarar Ming Shi, en professor och senior vetenskapsman vid Paul Scherrer Institute, Schweiz.

Studien är ett exempel på ett utmärkt samarbete mellan forskargrupper inom olika kompetensområden. Inom excellensklustret ct.qmat, forskare samarbetar för att undersöka fundamentalt nya tillstånd av materia. "Vi fokuserar på nya material vars observerade egenskaper och funktioner drivs av kvantmekaniska interaktioner på atomnivå, med halvmetaller som att PtGa är ett av de mest spännande exemplen, säger Jochen Wosnitza, Direktör för Dresden High Magnetic Field Laboratory (HLD) vid HZDR, hänvisar till ett av klustrets huvudsakliga forskningsämnen. Instituten som deltar i klustret och samarbetar i den aktuella publikationen inkluderar DRESDEN-konceptpartners MPI CPfS, IFW, och HZDR.